Bilimde çığır açan deney: İlk kez tek bir atomun 'röntgeni çekildi'

Ohio, Chicago Üniversitesi ve Argonne Laboratuvarı’ndan bilim insanlarından oluşan bir ekip, kuantum mekaniği yöntemleriyle ilk kez tek bir atomun bütün özelliklerinin 'röntgenini çekti'. Bundan önce X-ışınlarına maruz bırakılabilen en küçük miktar 10 bin atomdu. Maddeyi saptama yöntemlerinde devrim yaratabilecek bu keşif, 'dünyayı dönüştürebilir'.

Daha önce hiç yapılmamış bir şeye imza atan ABD'li bilim insanları, evrendeki her maddenin en temel yapı taşı ve kimyasal reaksiyonlarda yer alabilen en küçük parçacık olan tek bir atomu ilk kez X-ışınıyla görüntüledi. Tarama sayesinde karmaşık bir molekülün arasına gizlenmiş tek bir demir atomunun karakteri belirlendi. Aynı deney farklı bir karmaşık molekülle tekrarlandığında, bu kez içinde nadir toprak metali terbiyum ve onun kimyasal durumu saptandı.

Nature dergisinde yayımlandı

ABD'deki Ohio Üniversitesi, Chicago Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan bilim insanlarından oluşan ekip, deneyde kullandığı teknik sayesinde ilk kez tek bir atomu tarayıp katı mı, sıvı mı, gaz mı olduğu ve diğer atomlara bağlı olup olmadığı dahil kimyasal durumunu belirledi. Bilim insanlarının maddeyi keşfetme ve saptama yöntemlerinde çığır açması beklenen araştırmanın raporu, çarşamba günü Nature dergisinde yayımlandı.

‘Holy Grail’ of Physics: Scientists Take First-Ever X-Ray of Single Atom https://t.co/ygk438H780 pic.twitter.com/Ddz5CDyRRA

— Sputnik (@SputnikInt) June 1, 2023

Bu araştırmanın getirdiği yenilik ne?

Ekip liderlerinden olan Ohio Üniversitesi'nden fizikçi Saw Wai Hla, bugüne dek yüzeyleri atomik düzeyde görüntülemek için kullanılan taramalı tünelleme mikroskobunun uzantısı olan taramalı sonda mikroskobuyla bireysel atomları görüntüleyebildiklerini, ancak o yöntemle bileşimlerini belirleyemediklerini belirtti. Raporda bu araştırmanın getirdiği yenilik şöyle açıklandı:

"Atomlar, taramalı sonda mikroskoplarıyla rutin olarak görüntülenebilir, ama X-ışınları olmadan ne maddesinden yapıldıkları söylenemez. Artık her seferinde tek bir atom olmak üzere, belirli bir atomun türünü ve kimyasal durumunu tam olarak tanımlayabiliyoruz. Bunu bir kez yapabildiğimizde, malzemeleri tek bir atomun nihai sınırlarına kadar parçalayabiliriz. Bu, çevre ve tıp bilimlerini büyük ölçüde etkileyecek ve insanlığa damga vurabilecek potansiyel tedavilere yol açacak. Bu keşif dünyayı dönüştürecek."

Bir seferde on binlerce atomu görüntüleyen cihazlarla çalışan Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki bilim insanları, tek bir atomu görüntüleyebilmek için senkrotron X-ışını taramalı tünelleme mikroskobu için özel bir senkrotron (parçacık hızlandırıcı) cihazı yaptı. Bunlar, kuantum mekaniğinin olguları.

It took quantum tunneling and a particle accelerator to get the job done. https://t.co/pIxi7rz6Gi

— Inverse (@inversedotcom) June 1, 2023

Araştırma ekibine göre devrim niteliğinde

Ekip liderlerinden olan Ohio Üniversitesi'nden Tolulope Michael Ajayi, raporda yöntemden şöyle söz etti:

"Bu çalışmada kullanılan teknik ile kanıtlanan konsept, X-ışınları biliminde ve nano ölçekli çalışmalarda çığır açtı. Tek tek atomları tespit etmek ve karakterize etmek için X-ışınlarını kullanmak, araştırmada devrim yapabilir, kuantum bilgisinde ve hem çevresel hem tıbbi araştırmalarda eser elementlerin tespitinde yeni teknolojiler doğurabilir. Bunlar ilk akla gelenler. Bu başarı, aynı zamanda gelişmiş malzeme bilimi aygıtlamasının yolunu açıyor.

Pek çok alanda uygulanabilir

Ekip, 'X-ışını uyarımlı rezonans tünelleme' veya kısaca 'X-ERT' adını verdiği yeni tekniğin, elektronik cihazlarda da kullanılan nadir toprak metallerinin işleyişinin daha iyi anlaşılması dahil, pek çok alanda uygulanabilirliği olduğunu belirtti.

World's First X-Ray of a Single Atom Reveals Chemistry on The Smallest Level https://t.co/N3OPWDx3TU

— ScienceAlert (@ScienceAlert) May 31, 2023

Tek bir atomun önemi

X-ışını algılaması için numunede olması gereken malzeme miktarı, senkrotron X-ışınları kaynaklarının ve yeni cihazların geliştirilmesi sayesinde zamanla büyük ölçüde azaldı.

Bugüne dek bir numunenin X-ışınıyla taranmasındaki en küçük miktar, yaklaşık 10 bin atom veya daha fazlası olan attogramdı. Bunun nedeni, bir atom tarafından üretilen X-ışını sinyalinin, tespit etmek için geleneksel X-ışını detektörlerinin kullanılamayacağı kadar zayıf olması.

"X-ışınları 1895'te, neredeyse 130 yıl önce keşfedildi, ancak bugüne dek hiçbir zaman tek bir atomu saptayamamıştı" hatırlatması yapan Hla, tek bir atomu X-ışınlamanın bilim insanlarının uzun süredir hayali olduğu ve kendi liderliğindeki araştırma ekibi tarafından gerçekleştirildiğine dikkat çekti.

Röntgen'in keşfi

X-ışınlarını 1895 yılında keşfeden Wilhelm Röntgen, onlara başta bir gizem oldukları için 'X' adını verdi. Bu yüksek enerjili ışınlar, insan gözüyle görülebilenin ötesinde, kabaca ultraviyole ve gama radyasyonu arasında bir dalga boyuna sahip elektromanyetik radyasyon biçimi. Tıpta muazzam uygulama alanı açtıkları hemen fark edilen X-ışınları, astronomi, uzay ve diğer alanlarda da önemli araçlar haline geldi, her ne kadar fazla maruz kalmak kanser riskini artırsa da.